JP2009008014A - 軸流ファン - Google Patents

Abstract

【課題】軸流ファンの効率を向上させ、かつ後縁薄肉部の強度や加工性を向上させたファンの翼型を有する軸流ファンを得ることを目的とする。
【解決手段】負圧側面７と正圧側面８と後端面９を有した動翼１を備えている。負圧側面７は、所定の翼型の形状と同一であり、正圧側面８は、当該正圧側面８の後端部８ａが所定の翼型の形状から変更されている。正圧側面８の後端部８ａとこの後端部８ａと対向する負圧側面７と後端面９からなる翼後端部１０の厚さが、所定の翼型における後端部の厚さより厚く、かつ所定の強度以上を有する厚さであることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、軸流ファンに関し、特に回転電機に用いられる軸流ファンの効率を向上させ、かつ軸流ファンの翼における後縁部の強度や加工性を向上させた軸流ファンの翼に関するものである。

一般に、回転電機の冷却用ファンとして用いられる軸流ファンおいて、翼の断面形状である翼型は、ＮＡＣＡ型の空気力学的翼型（以下、ＮＡＣＡ翼型と称す。）に基づいた翼型が使用されている。ＮＡＣＡ翼型は後縁部の形状が後端側ほど薄くなる形状をしているために、この後縁薄肉部は強度が弱くなり、加工も困難である。そこで、一般的にこの後縁薄肉部を省略した翼型が用いられている。

特許文献１には、ＮＡＣＡ翼型から翼中央部の厚さを減らしながらも翼の後縁部がＮＡＣＡ翼型と同一である乱流防止部を備えた翼型が示されている。

特開２００３−７７４４９５号公報（００１８段乃至００２６段、図３）

しかしながら、特許文献１の翼型においては、ＮＡＣＡ翼型に基づいた翼型ではあるが、その後縁部がＮＡＣＡ翼型と同一であり、後縁薄肉部における強度の確保や加工の困難性を解決するものではない。

また、後縁薄肉部を省略した翼型は、翼先端と翼後端の距離である翼長が短くなり、風量が減少し、正圧側面と負圧側面の差圧も減少する。この風量及び差圧の減少を補うために食い違い角を小さくすると軸流ファンの効率が低下する問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、軸流ファンの効率を向上させ、かつ後縁薄肉部の強度や加工性を向上させたファンの翼型を有する軸流ファンを得ることを目的とする。

この発明に係る軸流ファンは、負圧側面と正圧側面を有した動翼を備えている。負圧側面は、所定の翼型の形状と同一であり、正圧側面は、当該正圧側面の後端部が所定の翼型の形状から変更されている。正圧側面の後端部とこの後端部と対向する負圧側面とで挟まれた翼後端部の厚さが、所定の翼型における翼後端部の厚さより厚く、かつ所定の強度以上を有する厚さであることを特徴とする。

この発明に係る軸流ファンは、動翼の負圧側面が所定の翼型の形状と同一で、動翼の正圧側面の後端部が当該所定の翼型の形状から変更されており、翼後端部の厚さが所定の強度以上を有する厚さであることにより、軸流ファンの効率を向上させ、かつ翼型の後端部の強度や加工性を向上させることができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における軸流ファンの翼部を示す図である。動翼１は、軸流ファンの回転軸２に接続されたハブ３に取り付けられ、回転軸２を駆動する駆動装置（図示せず。）によって回転する。静翼４はケーシング５に取り付けられる。ケーシング５は、動翼１、静翼４、ハブ３を囲み、軸流ファンの流路を形成する。

図２は、実施の形態１における動翼の鳥瞰図であり、図３は図２の動翼における後縁部の翼型形状を示す図である。図３に示す後縁部６において、７は負圧側面、８は正圧側面、８ａは正圧側面の後端部、９は後端面を表している。動翼１の翼型は、ＮＡＣＡ翼型を基本形状とし、ＮＡＣＡ翼型の後縁部６を修正した形状をしている。なお、図３は、動翼１の翼型にＮＡＣＡ翼型の形状を重ねて表示しており、動翼１の翼型と異なる部分を鎖線で示している。動翼１の翼型とＮＡＣＡ翼型が重なった部分における翼型とＮＡＣＡ翼型の符号は、括弧内に示しめしている。これ以降の図及ぶ符号についても同様に表示する。

ＮＡＣＡ翼型の負圧側面２０は、動翼１の翼型の負圧側面７と一致するが、ＮＡＣＡ翼型の正圧側面２１は、翼後端側において動翼１の翼型の正圧側面８と異なり、翼後端に向かって徐々に負圧側面２０に近づいている。２２はＮＡＣＡ翼型の翼中心線（平均反り線）である。境界Ｃは、ＮＡＣＡ翼型の正圧側面２１と正圧側面８が一致している境界である。なお、境界Ｃは、正圧側面の後端部８ａと正圧側面８の前縁側との境界でもある。境界Ｄは、境界Ｃを含む翼中心線２２の垂線が負圧側面２０と交わる境界である。２１ａはＮＡＣＡ翼型における境界Ｃから後縁側である正圧側面の後端部である。

動翼１の翼型は、負圧側面７がＮＡＣＡ翼型の負圧側面２０と一致し、正圧側面８における境界Ｃから前縁側がＮＡＣＡ翼型の正圧側面２１と一致するので、境界Ｄは動翼１の翼中心線の垂線が負圧側面７と交わる境界でもある。正圧側面８の境界Ｃ及び負圧側面７の境界Ｄから後縁側の部分を動翼１の翼後端部１０とする。

境界Ｃは、ＮＡＣＡ翼型で強度が不足する後縁肉薄部の境界より前縁側に選ぶ必要がある。また、この境界Ｃは、軸流ファンの回転速度や送出若しくは吸引する流体によって、強度不足となる境界が変化するので、マージンを考慮して適切に選ぶことが必要である。

ＮＡＣＡ翼型は、負圧側面２０と正圧側面２１とで挟まれた後縁部の厚さが翼後端に向かって徐々に薄くなっており、翼後端側に行くほど強度が低下し、強度が低下した部分が長くなった所定の形状に加工することは困難であった。そこで、実施の形態１では、ＮＡＣＡ翼型の後縁肉薄部に該当する部分を含む翼後端部１０の強度と加工性を向上させるために、正圧側面８の後端部８ａと対向する負圧側面７の後縁部とで挟まれた翼後縁部１０の厚さである後端部厚さを一定の厚さｄ１とした。この厚さｄ１は、軸流ファンの使用環境を考慮した翼の寿命等から算出した所定の強度以上を有する厚さである。負圧側面７の形状は、軸流ファンの効率低下を招かないように、ＮＡＣＡ翼型の負圧側面２０の形状と同一にした。後端面９の形状は、例えば負圧側面７の後端Ａから正圧側面８の後端Ｂを弓形に結べばよい。

動翼１の翼型において、負圧側面７の形状はＮＡＣＡ翼型と同一にし、正圧側面８の形状は、正圧側面の後端部８ａにおいてのみＮＡＣＡ翼型から修正したので、修正による後端部での流れの剥離を最小限度に留めることができる。これにより、上記形状の翼型を有する動翼を備えた軸流ファンは、ＮＡＣＡ翼型を有するものと遜色のないファン性能、ファン効率を得ることができる。

また、ＮＡＣＡ翼型の基本性能を利用した翼型を軸流ファンに適用したので、試作によって性能を確認し、修正及び調整を繰り返す必要がない。これによって軸流ファンの動翼１の試作費用、時間を節約することができ、軸流ファンの開発時間を短縮することができる。また、開発費用の低減も達成することができる。

以上のように、実施の形態１における軸流ファンは、動翼１の負圧側面７が所定の翼型の形状と同一で、動翼１の正圧側面８の後端部８ａが当該所定の翼型の形状から変更されており、翼後端部１０の厚さが所定の強度以上を有する厚さであることにより、軸流ファンの効率を向上させ、かつ翼型の後端部の強度や加工性を向上させることができる。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における軸流ファンに係る動翼の後縁部を示す図である。実施の形態１とは、動翼１の翼後端部１０における後端側厚さと根元側厚さを変えて、正圧側面の後端部８ａが正圧側面８と滑らかに接する点で異なる。なお、図４は、動翼１の翼型にＮＡＣＡ翼型の形状を重ねて表示しており、動翼１の翼型と異なる部分を鎖線で示している。

翼後端部１０の後端側厚さは厚さｄ１である。翼後端部１０の根元側厚さは、厚さｄ１より厚い厚さｄ２であり、この後端部厚さが後端部から前縁側に向かって徐々に変化するようにした。例えば、後端部厚さが、後端部から前縁側に向かって線形上に増加するようにすることがきる。これにより正圧側面の後端部８ａは、この後端部８ａから前縁側に位置する前縁部と滑らかに接している。したがって、後端部での流れの剥離を実施の形態１に比べて抑えることができる。また、動翼１の根元端側の後端部厚さｄ２は厚さｄ１より厚いので、境界Ｃ及び境界Ｄは実施の形態１に比べて前縁側に位置し、翼後端部１０の強度は実施の形態１に比べて強くすることができる。

図５は軸流ファンのファン効率と翼後端部１０の厚さ比率との関係を示す図である。横軸は翼後端部１０の厚さ比率、即ちｄ２／ｄ１であり、縦軸は軸流ファンのファン効率ηＦＡＮである。図５に示したη１はＮＡＣＡ翼型を用いた場合のファン効率であり、η２は翼後端部１０の厚さ比率ｄ２／ｄ１が１の場合のファン効率である。なお、翼後端部１０の厚さ比率ｄ２／ｄ１が１の場合は、実施の形態１の場合に相当する。

翼後端部１０の厚さ比率ｄ２／ｄ１を１から大きくするとファン効率が向上し、ＮＡＣＡ翼型を用いた場合のファン効率η１に近づく。更に翼後端部１０の厚さ比率ｄ２／ｄ１を大きくすると、ファン効率が低下に転じる。翼後端部１０の厚さ比率ｄ２／ｄ１が２になると、ファン効率がη２になり、これより翼後端部１０の厚さ比率ｄ２／ｄ１を大きくすると、実施の形態１の場合よりファン効率が低下してしまう。したがって、翼後端部１０の厚さ比率ｄ２／ｄ１は１以上２以下の範囲で用いることが望ましい。

なお、後端部厚さが、後端部から前縁部に向かって線形上に増加する場合で説明したが、後端部の途中まで一定の厚さｄ１で、その後徐々に増加する場合であっても構わない。この場合であっても、正圧側面の後端部８ａが正圧側面８と滑らかに接することができる。また、後端部厚さの変化は線形上に増加する場合に限らない。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３における軸流ファンに係る動翼の後縁部を示す図であり、図７は図６の翼後端部における後端側の拡大図である。実施の形態２とは、正圧側面の後端部８ａと正圧側面８の前方部とがさらに滑らかに接する形状にできる点で異なる。なお、図６及び図７は、動翼１の翼型にＮＡＣＡ翼型の形状を重ねて表示しており、動翼１の翼型と異なる部分を鎖線で示している。

実施の形態３における動翼１の翼型は、以下のように決定する。動翼１の翼型は、負圧側面７の形状は、ＮＡＣＡ翼型と同一にし、正圧側面８の形状は、正圧側面の後端部８ａにおいてのみＮＡＣＡ翼型から修正する。ＮＡＣＡ翼型の負圧側面の後端と同一である負圧側面の後端Ａから所定の厚さｄ１となる正圧側面の後端Ｂを、ＮＡＣＡ翼型の後端直線１１、即ち負圧側面の後端ＡとＮＡＣＡ翼型の正圧側面の後端Ｅを結ぶ直線１１上になるよう選ぶ。なお、翼の厚さは翼の中心線と直交する方向で測定した翼型の負圧側面７と正圧側面８との距離であるから、後端直線１１は、後端側厚さｄ１を規定する翼の中心線と直交する線でもある。

次に、このＮＡＣＡ翼型の後端直線１１上であって、正圧側面８の側に位置する点を中心点Ｏ（図示せず。）に選び、正圧側面の後端部８ａの形状をこの中心点Ｏを中心とした円弧形状にする。このとき、正圧側面の後端部８ａと正圧側面８の前縁側との境界Ｃは、翼後端部１０の根元端側の後端部厚さが所定のｄ２となるように選ぶ。後端面９の形状は、例えば負圧側面７の後端Ａから正圧側面８の後端Ｂを半円形とすることができる。

以上の方法を用いると、翼後端部１０の根元端側の後端部厚さｄ２を任意に選んでも、正圧側面８の境界Ｃにおいて翼後端部１０と正圧側面８の前縁側と滑らかに接することができる。

上述のように、実施の形態２に比べて正圧側面の後端部８ａは、さらにこの後端部８ａから前方の前方部と滑らかに接することができる。これにより、実施の形態２に比べて後端部での流れの剥離を抑えることができ、軸流ファンのファン効率が向上する。また、動翼１の翼後端部１０における後端側厚さｄ１と根元側厚さｄ２を決定することで、正圧側面の後端部８ａの形状が一義的に決定できるメリットがある。

実施の形態１乃至３では、所定の翼型としてＮＡＣＡ翼型を利用した例で説明したが、後縁部が薄くなっている他の翼型の修正にも適用できる。また、修正した翼型を軸流ファンの動翼に適用した例で説明したが、軸流ファンの静翼にも適用できる。

この発明の実施の形態１における軸流ファンの翼部を示す図である。 実施の形態１における動翼の鳥瞰図である。 図２の後縁部の翼型形状を示す図である。 この発明の実施の形態２における軸流ファンに係る動翼の後縁部を示す図である。 実施の形態２における軸流ファンのファン効率と翼後端部の厚さ比率との関係を示す図である。 この発明の実施の形態３における軸流ファンに係る動翼の後縁部を示す図である。 図６の翼後端部における後端側の拡大図である。

符号の説明

１ 動翼、４ 静翼、７ 負圧側面、８ 正圧側面、８ａ 正圧側面の後端部、１０ 翼後端部、１１ 後端直線、ｄ１ 後端側厚さ、ｄ２ 根元側厚さ。

Claims (5)

1. 回転可能な回転軸と、この回転軸を囲んで配置され、回転軸と共に回転する複数の動翼と、前記回転軸を囲んで配置された複数の静翼を備え、
   前記動翼は負圧側面と正圧側面と後端面を有し、
   前記負圧側面は、所定の翼型の形状と同一であり、
   前記正圧側面は、当該正圧側面の後端部が前記所定の翼型の形状から変更されており、
   前記正圧側面の後端部とこの後端部と対向する前記負圧側面とで挟まれた翼後端部の厚さが、前記所定の翼型における翼後端部の厚さより厚く、かつ所定の強度以上を有する厚さであることを特徴とした軸流ファン。
2. 前記翼後端部の厚さが一定であることを特徴とした請求項１記載の軸流ファン。
3. 前記正圧側面の後端部とこの後端部から前縁側の前縁部とが滑らかに接し、前記翼後端部の厚さにおける後端側の後端側厚さを分母とし、前記翼後端部の厚さにおける根元側の根元側厚さを分子とする翼後端部の厚さ比率が１以上２以下の範囲であることを特徴とした請求項１記載の軸流ファン。
4. 前記正圧側面の後端部の形状が、前記後端側厚さを規定する前記翼の中心線と直交する線上であって、前記正圧側面の側に位置する点を中心とした円弧形状であることを特徴とした請求項１または３記載の軸流ファン。
5. 前記所定の翼型がＮＡＣＡ型の空気力学的翼型であることを特徴とした請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸流ファン。

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